В настоящее время существуют различные радиолокационные системы и комплексы, в которых для измерения дальности до объекта производится оценка времени распространения сигнала от источника до цели и от цели до источника [1]. Одним из самых широко распространенных сигналов, используемых в радиолокационных системах, является сигнал с линейно частотной модуляцией. При этом прием осуществляется по схеме с гетеродинированием, после которого огибающая принятого радиосигнала сворачивается с низкочастотным референсным сигналом. Таким образом осуществляется согласованный прием, а время задержки сигнала измеряется по моменту превышения корреляционного пика некого заданного порогового значения. Известны и цифровые реализации подобных радиолокационных систем [2].
При цифровой реализации такие схемы оказываются достаточно сложны. В них используются различные микропроцессорные устройства, которые и осуществляют в цифровом виде корреляционную обработку сигналов. Использование микропроцессоров, здесь, приводит к варианту отложенной обработки сигналов, когда оцифрованная запись огибающей принятого сигнала записывается в память микропроцессора, а вычисление операции свертки производится после окончания процедуры измерений. Такой отложенный вариант обработки сигнала обусловлен прежде всего большой вычислительной сложностью операции свертка, которая, как известно, требует порядка N2 операций умножения и N2 операций сложения, где N - длина сворачиваемых последовательностей. Легко оценить объем вычислений, требуемых при согласованном приеме ультразвукового ЛЧМ сигнала. Пусть девиация частоты излучаемого сигнала составляет 5кГц. Такой выбор обусловлен возможностью использования стандартных недорогих ультразвуковых приемопередатчиков, рассчитанных на работу на частоте 40 кГц и имеющих ширину полосы пропускания 5кГц. Использование таких датчиков позволит проводить экспериментальную апробацию разработанного устройства. Итак, девиация частоты ЛЧМ-сигнала составляет 5 кГц. Если при оцифровке огибающей частоту дискретизации положить равной 80 кГц, так чтобы на один период гармоники с максимальной частотой в спектре оцифрованного сигнала приходилось 16 отсчетов, то длина сворачиваемых последовательностей составит порядка 500-1000 отсчетов.
Легко посчитать, что для вычисления свертки требуется выполнить миллион операций умножения и столько же операций сложения за время порядка 0,01 секунды. Понятно, что такие требования к производительности микропроцессоров практически исключают возможность обработки сигналов в режиме реального времени. Таким образом, простейшая цифровая локационная система должна содержать гетеродинный приемник, два аналого-цифровых преобразователя, достаточно большой объем оперативной памяти, который обеспечил бы возможность сохранения отсчетов принятого сигнала для их последующей отложенной обработки. Кроме того, в состав измерительного комплекса должен входить достаточно мощный, с вычислительной точки зрения, микропроцессор.
В данной работе предпринята попытка реализовать альтернативный подход к созданию таких измерительных комплексов. Аппаратным ядром разрабатываемой системы, обеспечивающей генерацию ЛЧМ-сигналов, синхронизацию передатчика и приемника, регистрацию принимаемых сигналов и их обработку в реальном времени является перепрограммируемая логическая интегральная схема типа FPGA. С одной стороны, массив логических элементов, из которых состоит FPGA-микросхема, обеспечивает эффективное распараллеливание вычислений. С другой стороны, количество специализированных блоков, позволяющих выполнять операцию умножения в реальном времени, в современных FPGA микросхемах ограниченно. Это количество составляет десятки, в некоторых, наиболее дорогих, - сотни. Кроме того, FPGA-микросхема является сугубо цифровым устройством. Таким образом, её использование в качестве ядра не избавляет от необходимости создания системы оцифровки принимаемого сигнала. Более того, остается необходимость в реализации в системе гетеродинного приемника. На первый взгляд использование FPGA не дает существенного упрощения архитектуры ультразвуковой локационной системы.
В данной работе такого существенного упрощения архитектуры удается добиться путем использования операции, так называемого, клиппирования сигнала. Принимаемый сигнал в предлагаемой системе подается на один из дифференциальных входов FPGA-микросхемы. На второй вход дифференциальной пары предлагается подавать опорное напряжение, уровень которого выставляется равным среднему уровню регистрируемого ультразвуковым датчиком сигнала. Таким образом, дифференциальный вход регистрирует только моменты перехода принимаемого сигнала через средний уровень, формируя из регистрируемого сигнала однобитную последовательность. Очевидно, что корреляционная обработка однобитного сигнала не требует выполнения операции умножения. Кроме того, регистрация принимаемого сигнала с клиппированием может производиться на высокой частоте дискретизации. Как следствие, отпадает необходимость в гетеродинировании сигнала регистрируемого ультразвуковым датчиком. Все это, в целом, позволяет создать крайне простую по архитектуре измерительную систему, осуществляющую генерацию, прием, оцифровку с клиппированем и корреляционную обработку ультразвукового сигнала с линейной частотной модуляцией.
Первая глава данной работы посвящена описанию численного моделирования разрабатываемой локационной ультразвуковой системы. Моделирование проводилось в среде MathWorks MatLab/Simulink. Моделирование системы позволило разработать архитектуру аппаратного измерительного комплекса, осуществляющего генерацию, регистрацию и корреляционный прием ультразвукового сигнала с линейной частотной модуляцией.
Во второй главе рассматриваются особенности реализации цифрового ядра предлагаемого устройства, связанные с использованием FPGA-микросхемы.
В третье глава приведены результаты проделанной работы.
В результате выполнения бакалаврской работы были получены следующие результаты
1. Разработана архитектура устройства, осуществляющая согласованную фильтрацию килиппированного ЛЧМ сигнала в реальном времени
2. Выполнено численное моделирование разработанного устройства. Численное моделирование подтвердило работоспособность устройства
3. Средствами Xilinx ISE 12.4. выполнена имплементация разработанной архитектуры в FPGA микросхему. Созданная архитектура разработанного устройства занимает 34% от ресурса самой не дорогой микросхемы Xilinx
4. Разработана аналоговая часть измерительного комплекса
5. Проведена экспериментальная апробация разработанного устройства, которая полностью подтвердила его работоспособность
Таким образом, по результатам выполнения бакалаврской работы можно говорить о том, что использование недорогих FPGA микросхем в сочетании с операцией клиппирования позволяет выполнять согласованную фильтрацию ультразвуковых ЛЧМ сигналов в реальном времени.
